Ausgabe 14 / Januar 2019

Gezähmte Konflikte

Wie Evolutionsbiologinnen und -biologen versuchen, sich einen Reim auf die Grundlagen der Existenz von Organismen zu machen

von Manuela Lenzen

Wenn Wind aufkommt, setzen die Portugiesischen Galeeren ihre schimmernden Segel und lassen sich treiben. Nähert sich eine Flotte einem Badestrand, wird dieser meist eilig gesperrt, denn die bis zu dreißig Zentimeter großen Tiere besitzen Tentakel, aus deren Nesselzellen ein Gift schießt, das kleine Fische töten und auf der Haut des Menschen schmerzhafte Quaddeln hervorrufen kann. Die Portugiesische Galeere ist eine Qualle, eine Staatsqualle genauer gesagt. Sie sieht aus wie ein Tier, besteht aber aus Hunderten, manchmal Tausenden von Polypen, die alle aus einer befruchteten Eizelle entstanden sind. Jeder dieser Polypen ähnelt einem einzelnen Organismus, doch sie sind auf unterschiedliche Aufgaben spezialisiert, es gibt Fress-, Tast- und Geschlechtspolypen, andere sind für das gasgefüllte Segel zuständig. Sie arbeiten zusammen und sind voneinander so abhängig, dass sie alleine und voneinander getrennt nicht lebensfähig sind. Ist ein solches Wesen ein Staat, ein Stock, eine Kolonie? Ist es ein Organismus oder sind es viele?

„Eigentlich ist es erschreckend: Es gibt keine vernünftige Definition, was ein Organismus ist, dabei ist das die wichtigste Einheit des Lebens“, wundert sich Joan E. Strassmann, Evolutionsbiologin an der Washington University in St. Louis und Fellow der Schwerpunktgruppe Die großen Übergänge in der Evolution der Organismen am Berliner Wissenschaftskolleg. „Natürlich wurde viel dazu geschrieben, etwa, dass alle Teile eines Organismus verbunden sein müssen, dass eine Haut sie umschließt, dass Organismen aus einer Zelle entstehen. Aber diese Definitionen sind nicht allgemeingültig, weil die meisten Forscher nur einen winzigen Ausschnitt aus der Welt der Lebewesen betrachtet haben.“ Dabei gebe es neben den Standardorganismen wie Mäusen, Vögeln und Walen noch so viel anderes: Pando etwa, eine Klonkolonie der Amerikanischen Zitterpappel, die als das älteste und schwerste Lebewesen der Erde gilt. Pando sieht aus wie ein gewöhnlicher Wald, doch seine vielen genetisch identischen Bäume sind untereinander durch ein riesiges Wurzelsystem verbunden, sodass man sie als Teile eines einzelnen Lebewesens betrachten kann. Oder den Schleimpilz Dictyostelium, eine soziale Amöbe, ein noch merkwürdigerer Fall, weil ein vielzelliges Stadium nicht aus einem einzigen Klon, sondern einer Zusammenballung zuweilen genetisch verschiedener Individuen entsteht. Wird die Nahrung knapp, sammeln sich einzelne Amöben und bilden gemeinsam eine Lebensform, die sich fortbewegen und einen Fruchtkörper mit einem sterilen Stiel ausbilden kann. In diesem Stiel befinden sich lebende Sporen, die vom Wind verteilt werden und aus denen sich, wenn wieder Nahrung zur Verfügung steht, neue Amöben entwickeln. „Dann sind da Bienen- und Ameisenkolonien und die ganze Welt der Mikroorganismen mit all ihren Kuriositäten“, so Strassmann.

Diese ungewöhnlichen Wesen lenken den Blick nicht nur darauf, dass eine gute Definition für „Organismus“ fehlt. Sie zeigen, dass die Natur immer wieder ein Problem gelöst hat, das die Evolutionsforscher seit Langem umtreibt: die Entstehung stabiler Kooperation unterschiedlicher Lebewesen zugunsten eines größeren Ganzen. Denn was bei den Staatsquallen und den Schleimpilzen offensichtlich wird, gilt genau genommen für alle Organismen, von der einzelligen Alge bis zum komplexen Wirbeltier: Sie bestehen aus vielen Komponenten, die ihre natürliche Konkurrenz um Nährstoffe, Sexualpartner und den besten Platz in der Rangfolge aufgegeben haben. Evolution ist demnach zu großen Teilen soziale Evolution. Wie kann das sein, wo doch die natürliche Selektion nur den eigenen Fortpflanzungserfolg belohnt? „Wie konnten komplexe Organismen entstehen – trotz der allgegenwärtigen inneren Konflikte, die wir bei ihnen sehen? Gab es keine Konflikte, als sie entstanden, oder mussten sie bestehende Konflikte in den Griff bekommen? Das ist die Frage“, erklärt Koos Boomsma, Evolutionsbiologe an der Universität Kopenhagen und Convener der Schwerpunktgruppe.

Die Antwort hat mit dem Konzept der großen Übergänge zu tun, das der Gruppe ihren Namen gegeben hat. Diesem Konzept zufolge hat es in der Entwicklungsgeschichte des Lebens einige wenige ganz große Schritte gegeben: zu den ersten kernlosen Zellen, von dort zu den einzelligen Eukaryoten mit Zellkern und Mitochondrien, dann viele Male zu den vielzelligen Organismen und weiter zu Wesen wie den Staatsquallen und dem in Kolonien organisierten Leben bei Ameisen, Bienen, Wespen und Termiten. Und immer ist es gelungen, eine neue Form von Kooperation zu etablieren. „Genau genommen definieren wir mit dem Konzept der großen Übergänge, was ein Organismus ist“, sagt Strassmann. Ein Organismus ist demnach etwas, das die inneren Konflikte zwischen seinen Bestandteilen im Griff hat, ein Gebilde, in dem wenig Konflikt und viel Kooperation herrschen.

Denn sogar innerhalb von Organismen können Konflikte entstehen – Tumoren sind dafür ein Beispiel. „Ich weiß, Krebs kommt viel zu oft vor, aber evolutionär betrachtet ist es eigentlich erstaunlich, dass er so selten ist“, erklärt Strassmann. „Eigentlich ist Krebs der Normalzustand da draußen.“ In einzelligen Organismen ist jede Mutation, die eine Zelle befähigt, sich schneller zu teilen als ihre Nachbarn, ein Überlebensvorteil. In einem vielzelligen Organismus führt derselbe Prozess zu einem Tumor. „Es ist bemerkenswert, dass er in diesen Organismen weitgehend ausgeschaltet ist.“ Gewebe, die in einer Petrischale leben, bilden viel schneller Tumoren als solche in einem Organismus. Wie kann das sein? Eine Erklärung für die vergleichsweise stabile Harmonie im Körpergewebe ist, dass die Körper von Tieren meist Klone sind, die nach sexueller Fortpflanzung aus einer einzigen Zygote hervorgehen. „Bevor zwei Zellen sexuell verschmelzen, sind sie genetisch verschieden und haben unterschiedliche Interessen“, sagt Boomsma. „Die Eizelle mag mehr davon profitieren, mit diesem Spermium zu verschmelzen statt mit jenem. Aber nachdem sie verschmolzen sind, entwickeln sich die Gameten entweder gemeinsam weiter oder sie gehen beide zugrunde.“ Lifetime Commitment, Verpflichtung fürs Leben, nennt er diese Konstellation, die bislang als Verfahren, Konflikte zu eliminieren, zu wenig Aufmerksamkeit gefunden habe. Alle Zellen des zukünftigen Organismus sind dann Klone dieser ursprünglichen Zelle und sollten nach William D. Hamiltons Theorie der Gesamtfitness gleiche Interessen haben: Aus der Perspektive der Gene ist es dann egal, ob eine Zelle sich teilt und die Töchter dann davonschwimmen oder ob sie bleiben und helfen, einen vielzelligen Körper zu bilden. Es geht nur darum, wie möglichst viele Genkopien in die nächste Generation kommen. Und wenn Kooperation in einem komplexen Organismus der beste Weg zu diesem Ziel ist, warum nicht? „Dieser genetische Flaschenhals war eine notwendige Bedingung für die Entwicklung stabiler vielzelliger Organismen“, so Boomsma. Damit es dazu kommen konnte, mussten sich Entwicklungsprogramme verändern; Kontrollmechanismen entstanden, die sicherstellen, dass eine Zelle, deren Loyalität durch Mutationen fraglich wird, sich in der Regel selbst vernichtet. Zudem müssen die Körperzellen bei jeder Teilung sehr viel Energie darauf verwenden sicherzustellen, dass die Kopien der DNA gute Kopien sind. Dennoch kommt es immer wieder zu Mutationen, die einzelnen Zellen Vorteile verschaffen könnten und die es wiederum im Zaum zu halten gilt. „Unsere Körper sind eigentlich pausenlos dabei, mithilfe eines gut gefüllten Werkzeugkastens entstehende DNA-Kopien zu prüfen und Krebs aufzuhalten“, erklärt Strassmann.

Am Beginn eines großen Übergangs stehen demnach Einheiten mit gemeinsamen Interessen. Diese teilen sie entweder, weil sie genetisch identisch sind, oder weil sie sich, wie bei den eukaryotischen Zellen, zusammengetan haben. Dann braucht es Mechanismen, die ein Wiederaufflackern der Konflikte verhindern, damit der entstehende Organismus nicht wieder zerfällt. Hat sich dies eingespielt, gibt es offensichtlich keinen Weg zurück. Die Polypen bleiben auf der Galeere, statt sich wieder einzeln auf den Weg in den Ozean zu machen. „Eigentlich versuchen wir, Hamiltons Theorie der Gesamtfitness, der zufolge evolutionärer Erfolg darin besteht, eine möglichst große Anzahl von Kopien der eigenen Gene in die nächste Generation zu bringen, sei es durch eigene Fortpflanzung oder die Unterstützung von Verwandten, als Spezialfall einer viel umfassenderen Theorie aufzufassen: einer Theorie, bei der es nicht darauf ankommt, wer wer ist, solang die Kooperation sich auszahlt“, erklärt David Queller, ebenfalls von der Washington University in St. Louis. Diese Theorie soll „brüderliche Übergänge“ umfassen, das sind solche, die klonale Organismen oder Wesen mit einem hohen Grad genetischer Verwandtschaft vollzogen haben, wie die Portugiesische Galeere, soziale Amöben oder soziale Insekten, aber auch „egalitäre Übergänge“, bei denen sich nicht verwandte, unterschiedliche Entitäten zusammentun, wie im Fall der eukaryotischen Zelle, die aus zwei Bakterienzellen höchst unterschiedlicher Bakterienarten besteht. „Man könnte dies als den erfolgreichsten aller großen Übergänge bezeichnen“, sagt er.

Noch allgemeiner könnte diese Theorie auch für Lebensformen gelten, die noch deutlich weniger als eine Portugiesische Galeere wie ein Organismus aussehen, etwa die Staaten bestimmter Bienen und Wespen. Alle bisher vorhandenen Daten zeigen, dass am Beginn von Kolonien, die Arbeiterkasten entwickelt haben, auch eine „Verpflichtung fürs Leben“ stand. Diesmal zwischen zwei Eltern: einer koloniegründenden Königin und einem strikt monogamen Männchen. Wie bei der Zygote weder Ei noch Spermium wieder aus der Verpflichtung aussteigen können, wird auch ein solches Elternpaar nach dem Tod eines der beiden Partner keine neue Verbindung mehr eingehen. „Eine so strikte Monogamie finden Sie nirgendwo im ganzen Reich der Wirbeltiere, was erklärt, warum kein Wirbeltier echte Arbeiterkasten wie die Ameisen entwickelt hat, die sich nie fortpflanzen“, stellt Boomsma fest. Wie bei der Entwicklung permanenter Multizellularität ist es genauso wertvoll, Geschwister aufzuziehen, wie sich selbst fortzupflanzen. Für komplexe Superorganismen galten allem Anschein nach dieselben Entstehungsbedingungen wie für komplexe vielzellige Organismen.

David Queller hat zusammen mit Joan Strassmann ein Koordinatensystem entwickelt, um Ordnung in die unterschiedlichen Arten von Organismen zu bringen. Die waagerechte Achse verläuft von „mehr Konflikt“ zu „weniger Konflikt“, die senkrechte von „weniger Kooperation“ zu „mehr Kooperation“. Nur Wesen mit viel Kooperation und wenig Konflikt heißen Organismen. „Einen Wal etwa verorten wir in der obersten rechten Ecke, die Zellen des Wals zeigen sehr viel Kooperation und sehr wenig Konflikt“, erklärt Joan Strassmann. Auch ein Bienenstaat zeige viel Kooperation. „Trotzdem gibt es einigen Konflikt zwischen den einzelnen Bienen, deshalb würden wir die Kolonie zwar als Organismus betrachten, sie aber auf der Kooperationsachse nicht ganz so weit rechts verorten.“ In Vogelschwärmen dagegen herrsche zu viel Konkurrenz, als dass sie als Organismus gelten könnten. Erdbeeren und ihre Ableger wiederum weisen zwar wenig Konflikte, aber zu wenig Kooperation auf. Genetische Verwandtschaft oder eine Haut, die alle Teile umschließt, ist in diesem Konzept nicht nötig, um einen Organismus zu definieren. Selbst Organismen aus ganz unterschiedlichen Individuen, etwa soziale Amöben oder Zitterpappeln, sind möglich.

Ein Koordinatensystem für alles, was kreucht und fleucht? Im Wesentlichen sei er einverstanden, nickt Koos Boomsma, doch anstelle des Kontinuums, wie es das Koordinatensystem suggeriert, betont er die sehr unterschiedlichen Organisationsniveaus der Lebewesen. Ein Ameisenstaat etwa hat einen irreversiblen Übergang zu einem auf Kasten basierenden Superorganismus durchlaufen, in dem alle Arbeiterinnen wie die klonalen Zellen eines Körpers eine Verpflichtung eingegangen sind: Sie sind Teil des größeren Ganzen, das den Nahrungswettbewerb untereinander aufgegeben hat. „Der Unterschied ist hier nur, dass jede ‚Zelle‘ sechs Beine und ein Gehirn hat.“

Ein Superorganismus? Ein kleiner Streit kommt auf: „Ich denke, diesen Begriff sollten wir weglassen“, sagt Queller, „In einem gewissen Sinne sind wir doch alle Superorganismen, jede Zelle ist ein Superorganismus, dann kommen wir bald zu den Supersuperorganismen.“ „Ich finde ‚Superorganismus‘ praktisch, weil er ausdrückt, dass hier eine neue Ebene an Komplexität erreicht wurde; diese biologische Erkenntnis ist hundert Jahre alt“, widerspricht Boomsma. „Jeder von uns sucht eben nach sparsamen und passenden Begriffen, um zu beschreiben, was vor sich geht, und jeder Begriff hat seine Stärken und Schwächen. Historisch gesehen, haben sich die modernen Theorien auf eine explizit quantitative Erklärung von Kooperation konzentriert, und Hamiltons Konzept der Gesamtfitness wird immer üblicher. Aber man kann Kooperation nicht begreifen, wenn man nicht versteht, wie Konflikte unter Kontrolle gehalten werden. Wir leben auch hier am Wiko nicht ohne soziale Konflikte“, ergänzt er und lacht. Die drei Fellows haben ihre Konflikte offensichtlich im Griff, sie tun weder der Kooperation noch der guten Stimmung Abbruch. Als Organismus würden die drei dennoch nicht durchgehen: „Wenn viel Kooperation und einige Konflikte zusammentreffen, verorten wir das links der senkrechten Achse und nennen es ‚Gesellschaft‘“, erklärt Queller. Boomsma fügt hinzu: „Gesellschaften haben, nach allem, was wir wissen, nie den großen Übergang zu einem Superorganismus geschafft.“

Moderne Forschung zur sozialen Evolution ist erst möglich, seit Methoden vorhanden sind, die Verwandtschaft kooperierender Zellen oder Wesen genetisch zu prüfen – dies ist allgemeine Routine in den Forschungsgruppen aller drei Fellows. David Queller hat diesen Werkzeugkasten um statistische Verfahren ergänzt, mit denen sich Verwandtschaft an genetischen Markern ablesen lässt. „In unserer Ausbildung gab es diese molekularen Methoden praktisch nicht, aber heute sind zum Beispiel Gensequenzierungen ein normaler Bestandteil unseres Laborlebens – und wir haben tolle Postdocs, die sich damit besser auskennen als wir, von denen lernen wir viel“, so Boomsma.

Und der nächste große Übergang? „Nun ja, es ist nicht sicher, dass es einen geben wird, die vorherigen konnte man auch nicht vorhersagen. Alles, was wir versuchen, ist die Grundsätze zu bestimmen, nach denen sie in der Vergangenheit allgemein abliefen“. Eine einheitliche Theorie der sozialen Evolution auf der Basis von Gesamtfitness und der Theorie der großen Übergänge, daran feilen die Fellows mit ihren je eigenen Projekten: Joan Strassmann mit Fokus auf die Naturgeschichte der Organismen, David Queller mit dem Versuch, den neuen Blick auf die Organismen mathematisch präzise zu fassen, und Koos Boomsma mit seinen Untersuchungen darüber, wie weit das Prinzip des Lifetime Commitment ausgedehnt werden kann. Wenn das Projekt gelingt, wird diese Theorie Kooperation und Konflikt in so verschiedenen Lebensformen wie einem Ameisenstaat und Eukaryoten erklären können. „Fragen Sie uns im Sommer noch mal“, sagt Strassmann. „Bis dahin lernen wir viel aus den interdisziplinären Diskussionen mit den anderen Fellows. Wir hoffen, das führt auch zu einer größeren Transformation unserer selbst.“

 

Die Evolutionsbiologin Ashleigh Griffin (University of Oxford), die Biologin Nancy Moran (University of Texas at Austin) und der Biologe Howard Ochman (University of Texas at Austin) sind ebenfalls Mitglieder der Schwerpunktgruppe, werden aber erst im April ans Wissenschaftskolleg kommen.   

 

 

Fotos:© Maurice Weiss